Автоматизированное проектирование СБИС на базовых матричных кристаллах

                   Предварительные сведения.

     В данном реферате  рассматриваются  технологии,  связанные  с

особенностями проектирования СБИС на базовых матричных кристаллах.

Рассказывается о самом понятии базового матричного кристалла. Ана-

лизируются основные этапы автоматизированного процесса пректирова-

ния.

            ПОТРЕБНОСТЬ ЭФФЕКТИВНОГО ПРЕКТИРОВАНИЯ СБИС.

                   СТАНДАРТНЫЕ И ПОЛУЗАКАЗНЫЕ ИС.

                БАЗОВЫЕ КРИСТАЛЛЫ И ТИПОВЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ.

     Характерной тенденцией развития элементной  базы  современной

электронно-вычислительной аппаратуры является быстрый рост степени

интеграции. В этих условиях актуальной становится проблема ускоре-

ния темпов разработки узлов аппаратуры, представляющих собой БИС и

СБИС. При решении данной проблемы  важно  учитывать  существование

двух различных классов интегральных схем: стандартных (или крупно-

серийных) и заказных. К первым относятся схемы, объем производства

которых достигает  миллионов  штук  в  год.  Поэтому  относительно

большие затраты на их проектирование и  конструирование оправдыва-

ются. Этот класс схем включает  микропроцессоры,  различного  вида

полупроводниковые устройства памяти (ПЗУ, ОЗУ и т.д.), серии стан-

дартных микросхем и др. Схемы, принадлежащие  ко  второму  классу,

при объеме производства до нескольких десятков тысяч в год, выпус-

каются для удовлетворения нужд отдельных  отраслей промышленности.

Значительная часть стоимости таких схем определяется  затратами на

их проектирование.

     Основным средством снижения стоимости проектирования и, глав-

ное, ускорения темпов разработки новых видов  микроэлектронной ап-

паратуры  являются  системы   автоматизированного   проектирования

(САПР). В результате совместных действий конструкторов, направлен-

ных на уменьшение сроков и снижение стоимости проектирования БИС и

СБИС, появились так называемые полузаказные интегральные микросхе-

мы, в которых топология в значительной степени определяется унифи-

цированной конструкцией кристалла. Первые схемы, которые можно от-

нести к данному классу, появились в 60-х  годах.  Они изготавлива-

лись на унифицированном кристалле  с  фиксированным  расположением

функциональных элементов. При этом  проектирование  заключалось  в

назначении функциональных элементов схемы  на  места  расположения

соответствующих функциональных элементов  кристалла  и  проведении

соединений. Такой кристалл получил  название  базового,  поскольку

все фотошаблоны (исключая слои коммутации)  для  его  изготовления

являются постоянными и не зависят от реализуемой схемы.  Эти крис-

таллы, однако, нашли ограниченное применение  из-за неэффективного

использования площади кристалла, вызванного  фиксированным положе-

нием функциональных элементов на кристалле.

     Для частичной  унификации  топологии  интегральных  микросхем

(ИС) использовалось также проектирование схем на основе набора ти-

повых ячеек. В данном случае унификация состояла в  разработке то-

пологии набора функциональных (типовых ячеек, имеющих стандартизо-

ванные параметры (в частности, разные размеры по  вертикали). Про-

цесс проектирования при этом заключался в размещении в  виде гори-

зонтальных линеек типовых  ячеек,  соответствующих  функциональным

элементам схемы, в размещении линеек  на  кристалле  и  реализации

связей, соединяющих элементы, в промежутках между линейками. Шири-

на таких промежутков, называемых каналами, определяется в процессе

трассировки. Отметим, что хотя в данном случае имеет  место унифи-

кация топологии, кристалл не является базовым, поскольку  вид всех

фотошаблонов определяется в ходе проектирования.

     Современные полузаказные схемы реализуются на базовом матрич-

ном кристалле (БМК), содержащем не соединенные между  собой прост-

ейшие элементы (например, транзисторы), а  не  функциональные эле-

менты как в рассмотренном выше базовом  кристалле.  Указанные эле-

менты располагаются на кристалле матричным способом (в  узлах пря-

моугольной решетки). Поэтому такие схемы часто называют матричными

БИС. Как и в схемах на типовых ячейках топология набора логических

элементов разрабатывается заранее. Однако в данном  случае тополо-

гия логическиго элемента создается на основе регулярно расположен-

ных простейших элементов. Поэтому в ходе проектирования логически-

мих элемент может быть размещен в любом  месте  кристалла,  а  для

создания всей схемы требуется изготовить только  фотошаблоны слоев

коммутации. Основные достоинства  БМК,  заключающиеся  в  снижении

стоимости и времени проектирования, обусловлены:  применением  БМК

для проектирования и изготовления широкого класса БИС; уменьшением

числа детализированных решений в ходе проектирования  БИС; упроще-

нием  контроля и внесения изменений в топологию;  возможностью эф-

фективного использования автоматизированных  методов конструирова-

ния, которая обусловлена однородной структурой БМК.

     Наряду с отмеченными достоинствами БИС  на  БМК  не  обладают

предельными для данного уровня технологии параметрами и,  как пра-

вило, уступают как заказным, так и стандартным  схемам.  При  этом

следует различать технологические параметры интегральных микросхем

и функциональных узлов (устройств), реализованных на  этих микрос-

хемах. Хотя технологические параметры стандартных  микросхем малой

и средней степени интеграции наиболее высоки, параметры устройств,

реализованных на их основе, оказываются относительно низкими.

                         ОСНОВНЫЕ ТИПЫ БМК

     Базовый кристалл представляет собой  прямоугольную многослой-

ную пластину фиксированных размеров, на  которой  выделяют перифе-

рийную и внутреннюю области (рис. 1). В периферийной  области рас-

полагаются внешние контактные  площадки  (ВКП)  для  осуществления

внешнего подсоединения и периферийные ячеики для реализации буфер-

ных схем (рис. 2). Каждая внешняя ячейка связана  с  одной  ВКП  и

включает диодно-транзисторную структуру,  позволяющую  реализовать

различные буферные схемы за счет соответствующего  соединения эле-

ментов этой структуры. В общем случае в периферийной области могут

находиться ячейки различных типов. Причем периферийные  ячейки мо-

гут располагаться на БМК в различных ориентациях (полученных пово-

ротом на угол, кратный 90', и зеркальным отражением).  Под базовой

ориентацией ячейки понимают  положение  ячейки,  расположенной  на

нижней стороне кристалла.

                                ├──┐

     ┌──────────────┐           ├┐ │

     │ Переферийная │           ├┘ │

     │  ┌────────┐  │           ├──┤       ВО

     │  │Внутрен.│  │           ├┐ │

     │  │область │  │           ├┘ │

     │  └────────┘  │           ├──┼─────┬─────┬─────┬───

     │   область    │         ПО├─┐│ ┌─┐ │ ┌─┐ │ ┌─┐ │

     └──────────────┘           └─┴┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴────

                                      ПЯ          ВКП

         рис. 1                          рис 2.

     Во внутренней области кристалла матричным способом располага-

ются макроячейки для реализации элементов проектируемых схем (рис.

3). Промежутки между макроячейками используются  для электрических

соединений. При  матричном  расположении  макроячеек  область  для

трассировки естественным образом разбивается на  горизонтальные  и

вертикальные каналы. В свою очередь в пределах макроячейки матрич-

ным способом располагаются внутренние ячейки для  реализации логи-

ческих элементов. Различные способы расположения  внутренних ячеек

и макроячейках показаны на рис. 4.  Причем  наряду  с  размещением

ячеек "встык" применяется размещение с зазорами, в  которых  могут

проводиться трассы электрических соединений.

   │ ┌───────                  ┌─┬─┐          ┌─┬─┬─┬─┬─┬

   │ └────────               a)├─┼─┤        c)├─┼─┼─┼─┼─┼─

   │ ┌─────────┐  ┌───         └─┴─┘          └─┴─┴─┴─┴─┴─┴

   │ └─────────┘  └───         ┌─┬─┬─┬─┬─┬    ┌─┬┬─┬┬─┬┬─┬┬─┬┬

   │ ┌─────────┐  ┌────      b)└─┴─┴─┴─┴─┴─ d)└─┴┴─┴┴─┴┴─┴┴─

   │ └─────────┘  └────

   └───────────────────        Примеры структур макроячеек.

       Структура ВО

         рис. 3                          рис. 4

     Особенностью ячейки является  специальное  расположение выво-

дов, согласованное со структурой  макроячейки.  А  именно,  ячейки

размещаются таким образом, чтобы выводы ячеек оказались на перифе-

рии макроячейки. Так, в одной из макроячеек выводы  каждой  ячейки

дублируются на верхней и нижней ее сторонах. При этом имеется воз-

можность подключения к любому выводу с  двух  сторон  ячейки,  что

создает благоприятные условия для трассировки.  Последнее особенно

важно при проектировании СБИС.

     В другой макроячейке выводы ячейки  располагаются  только  на

одной стороне, т. е.  выводы  ячеек  верхнего  ряда  находятся  на

верхней стороне макроячейки, а нижнего --  на  нижней.  Применение

таких макроячеек позволяет сократить требуемую  площадь кристалла,

но приводит к ухудшению условий для  трассировки.  Поэтому  данный

тип макроячеек используется лишь при степени интеграции, не превы-

шаюшей 100 - 200 вентилей на кристалл. Отметим,  что  в  некоторых

типах БМК, кроме однотипных макроячеек, во внутренней  области мо-

1	2	3